（机械设计及理论专业论文）往复式泵无波动机理及其技术研究.pdf

中文摘要 论文题目：往复式泵无波动机理及其技术研究 专业：机械设计及理论 硕士生：李杰( 签名)堡蔓三l 指导教师： 韩成才( 签名) 犁 摘要 传统的往复泵动力端均采用曲柄连杆机构，柱塞的运动规律类似于正弦或余弦曲线 规律变化，导致流量是瞬变的，形成排出系统和吸入系统的压力脉动；恶化了往复泵的 自吸性能，恶化了泵阀、柱塞及柱塞密封圈等运动密封件的工作条件。本文在调研国内 外大量文献资料的基础上，主要研究新型往复泵动力端驱动方案，从而代替曲柄连杆机 构，使往复泵排量达到无波动。 新型三缸恒流量往复泵的动力端采用特殊廓线的凸轮传动机构取代传统往复泵中曲 柄连杆机构，理论上实现了吸入与排出总管内流量恒定、压力无波动，从而改善了泵的性 能。本文对液压式往复泵的柱塞泵运动规律进行无波动分析，针对柱塞泵的运动情况， 阐述了为实现柱塞泵的无流量脉动的运动分析，建立无波动理论方程。新型液压往复泵 可以有效降低系统的冲击，完全可以实现压力无波动输出。直线电机驱动往复泵，针对 直线电机驱动往复泵的柱塞运动规律进行了无波动理论分析，直线电机驱动往复泵的运 动规律可以应用分段函数来表示；建立了描述直线电机往复泵柱塞的运动规律数学模型， 并进行了无波动理论的验证，证明改方案切实可行。 关键词：无波动；往复泵；机理研究 论文类型：理论研究 i l 英文摘要 s u b j e c t ： r e c i p r o c a t i n gp u m pn o n - f l u c t u a t i o nm e c h a n i s ma n de n g i n e e r i n gr e s e a r c h s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：l i j i e ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：h a nc h e n g c a i ( s i g n a t i i 他) ：盘塑幺望乏坌叫 a b s t r a c t t h ec r a n k l i n km e c h a n i s mi s u s u a l l ya d o p t e do nt h ep o w e re n do ft h et r a d i t i o n a l r e c i p r o c a t i o np u m p p l u n g e r sl a wo fm o t i o ni ss i m i l a rt ot h es i n eo rt h ec o s i n ec u r v er u l e c h a n g e ，c a u s e st h ec u r r e n tc a p a c i t yi st r a n s i e n t ，f o r m st h ed r a i n a g es y s t e ma n ds u c t i o n s y s t e m sp r e s s u r eo s c i l l a t i o n ；w o r s e n e dr e c i p r o c a t i n gp u m p ss e l f - a b s o r p t i o np e r f o r m a n c e ， w o r s e n e dm o v e m e n ts e a la n ds oo np u m pv a l v e ，p l u n g e ra n dp l u n g e rs e a lp a c k i n gc o l l a r w o r k i n gc o n d i t i o n s o nt h eb a s eo fs t u d y i n gm u c hb i b l i o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s ，t h em a i n r e s e a r c hn e wr e c i p r o c a t i n gp u m pp o w e re n da c t u a t e st h ep l a n , t h u sr e p l a c e st h ec r a n kl i n k m o t i o ng e a r , e n a b l e st h er e c i p r o c a t i n gp u m pt oa c h i e v et h ed i s p l a c e m e n tn o tt oh a v et h e f l u c t u a t i o n t h es p e c i a lc a m - d r i v em e c h a n i s mw h i c hh a sr e p l a c e dt r a d i t i o n a lc r a c k - c o n n e c t i n g - r o d m e c h a n i s mi su s e da st h ep o w e re n do ft h en e w t r i p l e xs i n g l e f u n c t i o nc o n s t a n tf l o wp u m p w h i c hr e s u l t st h e o r e t i c a l l yi nc o n s t a n tf l o wa n dn o p r e s s u r ef l u c t u a t i o n i nt h et o t a l p i p e l i n e ，a n dw h i c hh a si m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fr e c i p r o c a t i n gp u m p t h i sp a p e rs u g g e s t t h en e wt h e o r e t i ca n a l y s i sa n dd e s i g no nac o n s t a n tc u r r e n tp i s t o np u m p a c c o r d i n gt ot h e m o v i n gs i t u a t i o no fp i s t o np u m p ，t h i sp a p e re x p o u n d st h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r st or e a l i z et h e m o v i n gs p e e dc u r v ew i t h o u td e l i v e r ym i c r o s e i s m ，d e r i v e st h eu s u a lc o n s t a n tc u r r e n tc h a r a c t e r s s p e e dc b r v e t h en e wh y d r a u l i cp r e s s u r er e c i p r o c a t i n gp u m pm a yr e d u c es y s t e m si m p a c t e f f e c t i v e l y , d e f i n i t e l ym a yr e a l i z et h ep r e s s u r en o n f l u c t u a t i o no u t p u t t h ep i s t o np u m pi su s e d i nt h ee x i s t i n gl i n e a rm o t o rp u m p at h e o r e t i c a la n a l y s i si sc o n d u c t e do nt h em o t i o nl a wo f s u s p e n s i o nc e n t e ro np u m p i n gu n i t sd r i v e nb yl i n e a rm o t o r i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h em o t i o n l a wo fs u s p e n s i o nc e n t e ro np u m p i n gu n i t sd r i v e nb yl i n e a rm o t o rc a nb ed e s c r i b e d 、柝t h p i e c e w i s ea n a l y t i cf u n c t i o n ，am a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e df o rd e n o t i n gt h em o t i o nl a w a n di ti sd e m o n s t r a t e d a n dh a sc a r r i e do nt h en o n u n d u l a t o r yt h e o r yc o n f i r m a t i o n ，p r o v e dt h a t c h a n g e st h ep l a nt ob ep r a c t i c a la n df e a s i b l e k e y w o r d ： r i p p l ed i s a b l e ；r e c i p r o c a t i o np u m p ；m e c h a n i s mr e s e a r c h t h e s e ss t y l e ： a p p l i e dr e s e a r c h i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 查盎 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：趁。 日期：丛厶厶厶 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无波动往复泵研究的重要性及其发展 往复泵是工业泵中不可缺少的一类产品。它的突出优点是：输送介质十分广泛，吸 入性能好、效率高，可获得很高的排出压力并且流量与压力无关。往复泵在石油矿场中 广泛应用于石油钻井、酸化压裂、油田注水等生产中。随着石油工业对往复泵的要求越 来越高，往复泵向着输出压力高、流量大、制造和维修方便、流量压力脉动小、体积和 重量小等方向发展。 传统的往复泵动力端均采用曲柄连杆机构，曲柄的旋转运动经连杆带动十字头滑块 进行往复运动，从而实现活塞的往复运动。由于曲柄连杆机构的运动是准简谐运动，所 以活塞的运动也是简谐运动，各缸排量也具有简谐规律，因此传统往复泵的总排量是脉 动的，输出压力也是脉动的。尽管采用空气包可以减轻流量和压力的脉动，但是不能完 全消除【1 】【2 】。传统的往复泵无法实现往复泵的恒流量、无压力波动这种理想要求，因此 让往复泵实现恒流量、无波动输出就显的尤为重要。 1 2 本课题的目的及意义 在油田注水、输油、钻井等，特别在炼油厂、化工厂、食品饮料厂、制药厂、牛奶 加工厂等对泵的输出流量无波动要求较为严格。目前，国内外各领域普遍使用的是传统 的往复泵，由于传统往复泵的流量、吸入系统和排出系统的压力以及液流速度、加速度 均是瞬变的，其流量或压力波动幅度很大。所以实现往复泵的无波动机理研究是很有必 要的。 往复泵无波动机理的研究采用新的动力端驱动设计方案，从而实现往复泵恒流量， 从而使输出压力波动。具体体现在以下几个方面： 1 无波动往复泵的吸入流量均匀，所以消除了吸入管路的惯性水头损失，改善了 泵的吸入性能，提高了泵的安装高度，在使用时可省去灌注泵和吸入空气包； 2 无波动往复泵排出压力无脉动，所以排出管线工作平稳，不会产生振动。特别 适合于油田注水和输油，用作钻井泵时还可稳定井壁，对于堵漏也有很大益处； 3 无波动往复泵排出压力无脉动，所以活塞受力均匀，泵体不会产生振动，泵轴 受力条件大大改善，提高了泵轴及其轴承等的寿命； 4 由于用凸轮轴代替了曲轴，所以消除了曲轴制造中无法克服的几百牛顿的不平 衡重。从而可大大提高泵轴转数，增大往复泵冲次，提高泵的排量； 5 液压驱动往复泵主要结构特点是，去掉了常规往复泵的曲柄连杆机构驱动，采 用液压缸驱动，易于实现长冲程、低冲次，可以大大改善往复泵工作性能。而且液压传 动具有体积小重量轻、寿命长，无冲击、惯性小，易于实现无级变速、自动控制和过载 保护等许多优点。 6 直线电机技术是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要通过中间任何 西安石油大学硕士学位论文 转换装置的新型电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪音低、组合性强、维护方便等 优点。直线电机抽油机的研发成功为开发新型的往复泵驱动系统提出了新的思路。若往 复泵动力端采用直线电机直接驱动往复泵的活塞杆，可从理论上基本消除了往复泵输出 流量和压力的脉动性，往复泵的结构也将大大简化。 1 3 国内外现状及发展趋势 目前能够实现往复泵排量、压力无波动的有两种形式，一种是液压驱动往复泵，另 一种是机械式( 凸轮机构) 往复泵。现在国外研制和使用的都是液压驱动的往复泵，液压 驱动往复泵以全液压驱动方式直接吸入和排出液体，实现活塞的匀速直线运动，达到吸 入和排出流量恒定，实现了往复泵运动特性和动力特性的两大突破，并且能够很容易的 实现长冲程、低冲次、大缸径和变排量的要求。液压驱动往复泵已经成为国内外往复泵 研究和发展的重要方向之一，国外各石油机械生产厂商已相继推出了各种类型和用途的 液压驱动往复泵。其中以美国研制的卧式三缸钻井泵和挪威m h 公司推出的 m u d m a s t e r 立式多缸液压泵为代表。我国液压驱动往复泵正处于研究开发阶段，国 内市场上尚无成熟的产品出现。机械驱动型式的无波动往复泵在国内外市场上还没有应 用。直线电机抽油机的研发成功为开发新型的往复泵驱动系统提出了新的思路。若往复 泵动力端采用直线电机直接驱动做往复运动的活塞杆，可从理论上基本消除了往复泵输 出流量和压力的脉动性，往复泵的结构也将大大简化。一台直线电机推力达不到要求时 可采用几台直线电机驱动的往复泵1 3 卜1 1 2 】。 1 3 1 近年来国外新型往复泵的研制 ( 1 ) m u d m a s t e r 液压驱动往复泵 挪威m h ( m a r i t i m eh y d r a l i c ) 公司利用该公司液压驱动技术的特长，研究开发了 m u d m a s t e r 液压驱动往复泵，没有齿轮、曲柄连杆机构、十字头和空气包，是一个全新 结构往复泵。往复泵结构以双缸单作用泵为基本单元，还可组成两组四缸、三组六缸等 型式。动力机直接驱动变量液压泵，控制系统内的伺服可控阀按规定程序向液压缸供油， 使液压缸内的活塞上下往复运动。 在控制系统中，计算机可以连续读出每个液缸内的活塞位置，并通过伺服卡控制活 塞的运动速度，如果其中某一个液压缸出现事故时，计算机可自动控制这台三缸泵转变 为双缸泵进行工作，使用安全可靠。此外，动力保护装置确保动力正常起动和事故停机， 非常安全。往复泵基本参数如下：传动功率为11 7 6 k w ，泵压为3 4 5 m p a ，钻井液排量为 2 5 0 0 l m i n ( 三组六缸) ，液压驱动系统压力为5 - - 4 0 m p a ，液压油排量为2 5 0 0 l m i n ， 往复泵冲程长度为2 4 0 m m ，冲数为5 3m i n 一，吸人阀和排出阀直径为1 0 1 6 m m ，缸套直 径为2 0 0 m m ，三组六缸往复泵总质量为8 7 0 0 k g ，该往复泵相当于冲数为9 5m i n 、冲程 长度为3 0 5 m m ，功率1 1 7 6 k w ，该型泵的特点： 1 ) 结构简单、紧凑、体积小、质量轻； 2 ) 没有齿轮、曲轴，连杆和滑块机构，运动特性好，可实现恒速运动，相对运动零件少； 2 第一章绪论 3 ) 钻井液排出压力波动较小，常规三缸泵实测压力波动2 3 ，液压驱动往复泵实测压 力波动只有1 ，所以可取消空气包； 4 ) 使用寿命较长，由于采用了立式结构，往复泵的密封以及缸套不存在偏磨间隙，而且 磨损也较小，使用寿命较长； 5 ) 采用单流阀供给清洗冷却液，经过喷射作用，可清洗和冷却活塞与缸套； 6 ) 液压控制系统可保持几个单元泵同时协调有序地进行工作。 去 图1 - 1m u d m a s t e r 液压驱动钻井泵工作原理图 在近年出版的( ( c o m p o s i t ec a t a l o go fo i lf i e l de q u i p m e n ts e r v i c e s ) ) 中已有加m u d m a s t e r 液压驱动往复泵产品介绍，并有产品出售，已经达到使用阶段。 ( 2 ) 新型液压驱动双缸往复泵 瑞典h k 工程公司与挪威n o r c e m 海洋研究所共同研制了一种立式新型液压驱动双 缸往复泵。该泵是由变量液压泵驱动的双缸往复泵，没有曲柄连杆机构及齿轮，彻底摆 脱了传统的双缸泵和三缸泵结构，成为一种先进的、新型的往复泵。活塞直径较大，顶 部小液缸活塞直径较小，每一个单元泵有两个泵缸活塞组，装有常规吸入阀和排出阀。 活塞在下行程时，排出压力达3 4 5 m p a 。活塞加大的部分作用于环形容积，用单流阀供 给的冲洗液( 清水或油水混合物) 通过活塞的下部清洗活塞与缸套。活塞在上行程时， 完成吸入功能，环形容积也通过单流阀吸入冲洗液，利用液压控制系统来保持往复泵两 个单元进行协调运动。 新型液压驱动双缸往复泵具有以下特点： 1 ) 由于在活塞上下两部分压差较小，所以活塞的密封性能较好，不仅漏失量较小，而且 使用寿命比较长。 2 ) 往复泵冲次较低，有利于提高吸入性能，减少易损件的磨损，提高易损件的使用寿命。 3 ) 往复泵结构简单，体积小，占地面积较小，质量较轻，加工制造与装配工作量较少。 西安石油大学硕士学位论文 4 ) 采用水或水和油的混合物作为清洗冷却液，可防止固相颗粒进入环形区，确保泥浆与 液压油永不混淆。即使在泥浆密封损坏时仍可保持活塞的密封性能，具有较高的使用可 靠性。 5 ) 新型液压驱动双缸往复泵的缺点是：清洗冷却液对泥浆有稀释作用，会降低泥浆比重。 6 ) 为海洋石油钻机设计的单元泵排量为1 5 1 4 l s 。泵压为3 4 4 m p a 。泵的总质量只有 1 2 5 t 。 ( 3 ) 新型液压驱动三缸往复泵 尽管目前的三缸泵比双缸泵有更多的优点，例如泵压可高达5 2 7 m p a , 泵效达9 0 、 体积小三分之一、质量轻二分之一、压力波动小2 5 等。但是还觉得体积大、质量中、 加工制造装配工作量较大。近年来，美国研究开发了新型液压驱动三缸往复泵。各种技 术经济指标均较三缸泵优越。新型液压驱动三缸往复泵输人功率为3 6 7 6 k w ，没有齿轮、 曲柄连杆机构、十字头等部件。采用液压驱动，由一台柴油机或电动机带动一台变量液 压泵，驱动三个液压缸。三个液压缸分别通过活塞杆带动三个液缸，与常规往复泵的三 个液缸一样地进行工作。 新型液压驱动三缸往复泵具有以下性能特点： 1 ) 冲程较长、排量可变 往复泵冲程长度为6 0 9 6 m m ，排量为3 1 5 l s ，由于变量液压泵的排最是可变的，可 以无级调节泵的冲次和冲程长度，使用非常方便，可满足各种工况需要。该往复泵有三 个冲程长度，可根据钻井需要进行调节，三个液压缸与常规三缸泵一样，相差1 2 0 度转 角供油，3 个泥浆缸也相差1 2 0 度转角供泥浆，就像常规三缸泵一样地吸入与排出泥浆。 2 ) 排量波动较小 往复泵活塞运动规律与常规三缸泵不同，在一个冲程中，有一半以上冲程处于恒速 运动，所以排量的波动较小。在试验中，从排量示波器上看出，排量几乎是一条水平直 线，波动较小，只是在接近两个死点处，排量有一个微小的尖锋变化。这种良好的工作 特性是目前常规三缸泵无法实现的，因为常规三缸泵有曲柄连杆机构，活塞不能实现恒 速运动，正是由于排量波动较小。排出空气包已经没有作用，所以可以取消空气包。 3 ) 振动与磨损较少 因为取消了曲柄连杆机构，消除了常规往复泵产生的摆动力作用，减少了往复泵振 动与摇摆现象，此外，由于活塞恒速运动，还可以防止泥浆缸中产生气蚀与水击现象， 大大改善了往复泵的工作性能。钻井架的磨损也较小，提高了往复泵的使用寿命。在连 续进行3 0 0 h 载荷试验时，所有零部件均没有可见的磨损痕迹，只是在密封填料上面有轻 微的划痕。 4 ) 具有较高的往复泵泵压 目前，新型液压驱动三缸往复泵泵压一般可达1 0 4 6 m p a ，如果改用加强的吸入阀和 挂出阀，泵压可达3 5 1 6 m p a ，成为高压泵，不仅可以钻井，也可用于压裂油层，成为压 4 第一章绪论 裂泵。 5 ) 立式结构 早期液压驱动三缸往复泵是卧式结构，新型液压驱动三缸往复泵为立式结构。安装 方便、使用可靠、占地面积小、机械磨损也大大减少，使用寿命较长。 6 ) 使用方便 新型液压驱动三缸往复泵根据需要可以灵活组合使用，例如两台三缸泵可以并联， 提高往复泵的排量。组合使用相当方便。 1 3 2 近年来国内新型往复泵的研制 ( 1 ) 国内生产的直线电机驱动往复泵常采用的结构 直线电机抽油泵直接利用直线电机的直线往复运动带动活塞做往复运动，其结构简 单、质量轻、系统效率高、调节方便，节能效果显著，可用于稠油、深抽和大排量采油 井。下面介绍一种国内生产的新型直线电机采油泵。 1 ) 直线电机驱动柱塞泵结构 直线电机采油泵主要由直线电机、保护器和泵本体三大部分组成，其装配关系如图 1 2 。柱塞通过柱塞接头与直线电机动子相连。直线电机动子和定子为圆筒形。两个小端 盖安装在保护器外管的两端，套管内装有预紧弹簧、内锥和外锥，并安装在拉杆上。储液腔 内装有预紧弹簧。 在保护器外管的内部、套管的一端装有填料、双向动压轴承、垫片、隔环等。填料、 双向动压轴承、垫片、隔环安装在拉杆上。油管接头连接在隔膜泵体上，隔膜泵体上装 有单向进油阀和单向出油阀，金属薄膜挤压在隔膜泵体、波纹管和腔体之间，波纹管固 定在腔体上，波纹管、柱塞之间和储油腔内封装润滑油，储液腔内装有氟油。根据不同 作业要求，可以将砂帽与分离器安装在油管接头和隔膜泵体之间。隔膜泵体也可以装配 多个单向进油阀和单向出油阀。采用多个圆筒直线电机串联时，需增加扶正器，以提高 柱塞的推力，并保证电机定子位置固定。 5 西安石油又学硕士学位论文 下半部 上半部 图1 2 新型直线电机采油泵结构 1 单向进油阍；2 电缆，3 油管接头；4 隔膜泵体；5 单向出油阀：6 金属薄膜；7 窖积腔：8 波纹管； 9 腔体：1 0 储油腔：1 1 柱塞：】2 柱塞接头；1 3 直线电机动子：1 4 直线电机定子：i5 端盖：1 6 组合 密封装置：1 7 法兰盘：1 8 动子接头：1 9 拉杆：2 0 小端盖；2 1 保护器外管；2 2 套管；2 3 预紧弹簧 2 4 内锥：2 5 外锥：2 6 储液腔：2 7 填料2 8 双向动压轴承：2 9 垫片：3 0 隔环；3 】大端盖；3 2 弹簧： 3 3 轴向动压波纹管；3 4 外管 采用直线电机驱动的往复泵有如下优点： 1 ) 中间环节少，传动效率高； 2 ) 结构简单，制造加工容易，维修保养简单； 3 ) 几台电机组合可实现恒流量排出，流量压力恒定； 4 ) 可实现长冲程低冲次，大大提高易损件寿命； 5 ) 依靠控制系统可实现排量的无级调节。 2 ) 大庆油田研制的直线电机式往复泵 n 鸵 嚣封宅宕 号扑 嚣曲 孔 船弘 第一章绪论 2 0 0 5 年1 月在大庆油田进行了直线电动机抽油泵系统的现场试验，运转至今，日产 液量9 t ，日产油量2 t ，节电4 1 1 ，泵效提高6 5 1 ，系统效率提高9 3 。大量试验表 明，直线电动机无论对有杆抽油泵的地面改造还是对井下电潜泵的改造，均有利于减小 传动机构空间尺寸，用直线电动机直接驱动井下抽油泵，泵效高。图1 3 所示为该直线 电动机抽油泵系统直线电动机部分的装配图。电动机封装在壳体内，两端采用端盖，使之成 为整体。同时采用组合密封装置和滑动轴承，以提高复合动子的耐磨性能和寿命。直线电 动机动子通过接头与柱塞相连。工作时柱塞泵置于直线电动机的上端。 井下环境复杂，工况恶劣，对直线电动机的制造加工工艺、耐温性能、电缆耐高温、 耐腐蚀性能以及润滑密封、散热条件、数据监测等要求相对较高，电源长距离传送线损 较大，远距离控制困难，因此直线电动机的选择与结构设计成为系统设计的关键环节。 受井下空间限制，兼顾工作效率与出力要求，直线电动机的结构采用圆筒形动铁式 或动磁式。而动圈式圆筒形直线电动机出力较小，仅适合高速控制场合，故一般不选用。 、 、 12 3 45 茳油孔67891 01 l1 2 图1 3 直线电动机抽油泵电动机部分装配图 1 柱塞接头；2 筛管；3 外管；4 端盖；5 电缆；6 组合密封；7 滑动轴承：8 复合动子；9 定子；1 0 壳体；1 1 密封圈；1 2 法兰 直线电动机用圆筒形直线电动机定子绕组为饼式环形绕组，动子为铜铁或铝铁复合 结构。其初级铁心由硅钢片加工成具有凹槽的若干圆环组成，初级绕组由导线组成饼式， 装配时将圆环铁心与饼式绕组交替叠放，次级采用低碳高磁铁管，为提高单位体积所产 生的启动推力，在其铁管外覆盖1 层2 m m 厚的铜皮。次级在行波磁场切割下产生感应 电动势与感应电流，感应电流和气隙磁场相互作用产生电磁推力，在此力作用下，次级 沿行波磁场运动方向做直线运动。这种圆筒形直线电动机提高了绕组的利用率。 3 ) 胜利油田研究的直线电机驱动柱塞泵 国内主要采用管式泵。目前用于油田的抽油泵一般由工作筒、柱塞、固定阀和游动 单向阀等组成，结构形式以管式泵、杆式泵和套管泵为主，主要差别是柱塞、球阀、泵 筒结构布置形式略有不同。杆式泵制造难度大，检泵周期长。实验中泵挂深度不大，选 用管式结构抽油泵。安装时将筛管、直线电动机动子、柱塞倒置装配，有利于提高泵效， 降低抽油机启动和推动阻力。图1 4 为直线电动机两柱塞泵结构示意图。 7 西安石油大学硕士学位论文 12 3 4 5 图1 4 直线电动机柱塞泵结构示意图 1 上进油阀；2 游动阀；3 柱塞；4 下进油阀；5 一动子 4 ) s l 3 z & 一3 7 h j 型注聚泵 胜利石油管理局钻井工艺研究院针对油田注聚合物需要开发的s l 3 z b 3 7 h j 型三 缸单作用恒排量往复泵，采用凸轮传动机构代替其他往复泵中的曲柄连杆传动机构，基 本能够实现低波动排量输出，但是由于该型泵凸轮机构在运动过程中存在加速度突变， 从而引起冲击，并且凸轮传动机构存在高副易磨损等缺点，所以该型泵还不能大面积应 用到工程实际当中。s l 3 z b - - - 3 7 h j 型三缸单作用恒排量往复泵的主要技术参数为：额定 功率3 3 k w ，柱塞直径6 0 m m 、7 0 m m ，理论排量5 1 4 m 3 m 、7 m 3 h ，额定压力2 1 m p a 、 1 5 4 m p a ，冲程长度7 6 m m ，额定冲次1 3 3m i n ，电动机功率3 7 k w ，外形尺寸3 1 5 0 m m 1 2 6 5 m m 1 2 1 0 m m ，机泵组质量3 8 0 0 k g 。 另外还有辽河油田公司曙光采油厂的液压驱动双缸双作用往复泵，中国地质科学院 勘探技术研究所研究成功的y b 6 0 型液压驱动往复泵，西安探矿机械厂推出的s y b 9 0 型双液变比液压驱动化学灌浆泵等等。 1 4 论文的主要研究内容 1 建立凸轮式往复泵、液压驱动往复泵、直线电机驱动往复泵的无波动理论； 2 对凸轮式往复泵、液压驱动往复泵、直线电机驱动往复泵进行无波动的运动学 和动力学分析； 3 完成凸轮式往复泵、液压驱动往复泵、直线电机驱动往复泵等的主体方案设计和 关键零部件的技术研究。 1 5 创新点 1 完善一些凸轮式往复泵和液压驱动往复泵的无波动理论； 2 。初步建立直线电机驱动往复泵的无波动理论。 8 第二章曲柄连杆式往复泵的运动学分析 第二章曲柄连杆式往复泵的运动学分析 往复泵作为容积式往复泵的种，在许多工业领域是不可缺少的。从往复泵的诞生 到今天，就其基本结构和工作原理而言，一直没有较大的突破。长期以来，人们对传统 的曲柄连杆机构往复泵进行了深入的研究，并取得了许多积极的成果。但也认识到传统 的曲柄连杆机构往复泵所决定的运动与动力特性局限了它的应用范围及其发展。特别是 柱塞的运动规律类似于正弦或余弦曲线的规律变化，导致流量是瞬变的，形成排出系统 和吸入系统的压力脉动；柱塞运动加速度是瞬变的，且泵速越高，加速度就越大，最大 值正好发生在吸入过程始点，恶化了往复泵的自吸性能，恶化了泵阀、柱塞及柱塞密封 圈等运动密封件的工作条件。 2 1 曲柄连杆机构运动规律及惯性力 2 1 1 曲柄连杆机构运动规律 为了获得作用在曲柄连杆机构上的作用力与曲柄转角之间的关系，首先需知道该机 构的运动规律。 图2 1 曲柄连杆机构运动规律 由图2 1 ，设a 点为柱塞运动的前死点( 离开主轴承中心线最远点) ，b 点为后死点( 离 开主轴承中心线最近点) 并设曲柄转角从柱塞前死点算起，吸入行程为正， 柱塞运动规律可写成： ( 1 - c o s 纠+ 詈( 1 - c o s 2 纠 甜= 似s i n 伊弓s i l l 2 缈) 口= r o ) 2 ( c o s c p + 2 c o s 2 伊) 式中： z 一柱塞的位移，m ； 甜一柱塞的速度，m s ； 口一柱塞的加速度，m s 2 ； 9 一曲柄转角，r a d ；缈= m t ； 缈一曲柄角速度，r a d s ； r 一时间，j ； ，一曲柄半径，m ； 9 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 西安石油大学硕士学位论文 见一曲柄半径，与连杆长之比，旯= r l 用上述各项求得的速度u 和加速度口值为正值时，其方向则沿柱塞中心线并指向曲 柄旋转中心0 。反之，若为负值时，其方向则沿柱塞中心线背离曲柄旋转中心。 2 1 2 曲柄连杆机构往复惯性力 曲柄连杆机构中的连杆运动属于平面运动，可以看成由往复运动和旋转运动的合成 运动【1 2 1 。 为了确定惯性力，可将曲柄连杆机构的未被平衡的质量分成两部分：作往复运动部 分的质量( 包括柱塞、十字头和连杆部件的小部分质量) 和作旋转运动部分的质量( 包括曲 拐、曲柄和连杆部件大部分质量) 。 为了简化计算，把包括连杆往复运动部分的质量在内的全部往复运动质量都集中于 十字头销中心上而不平衡的旋转质量则全部转化到曲柄销中心上。这样一来，每联往复 运动部分的的质量可按下式计算【1 3 】： m。=m，+km。(2-4) 式中： m 。一每联往复运动部件质量，k g ； m 。一柱塞、十字头部件质量，k g ； m 。一连杆质量，k g ； k 一转化成往复运动质量的系数。一般为k = o 3 0 4 。 对高速泵取小值，低速或中速泵取大值。不平衡的旋转运动质量m 。为： m = m 6 + m 窖( 1 一七) k g ( 2 - 5 ) 式中： m 。一转化到曲柄销中心的曲拐不平衡质量，k g ； 曲轴是绕不通过重心的主轴颈旋转的，如图2 - 2 。 o 图2 - 2 曲柄结构示意图 主轴颈中线d d 为对称中心曲拐部分质量m ，集中在d 点。因这部分质量的重心 加速度为零，因此在计算旋转惯性力时不计入，曲拐剩下的不平衡质量为m ：和m ，。m ，是 以曲柄销为对称中心的曲拐部分质量，重心在曲柄销中心上，可以不必代换，而曲拐的 另一部分质量m ：则需代换。按静力代换惯性力相等的条件，将m ：也转化到d 点的时的m ： 为： m ：旦m ， ( 2 6 ) ，= 一1 z o ， 1 0 第二章曲柄连杆式往复泵的运动学分析 式中： ，一曲柄半径，m ； 日一不平衡旋转质量m ，到主轴颈的距离，m 。 这样，转化到曲柄销中心点d 的曲拐不平衡旋转质量m 。为： 玎 m 6 = m 3 + m 2 兰 ( 2 - 7 ) ， 全部转化到曲柄销中心点d 上的不平衡旋转质量为： 玎 m = m 3 + m 2 = + ( 1 - k ) m g ( 2 - 8 ) ，。 由于把全部机构的往复运动质量集中于十字头中心线c 点，大小就等于往复运动质 量m 。与十字头中心c 点加速度的乘积，所以往复惯性力方向则与加速度方向相反。十字 头的加速度大小，方向均与柱塞的大小方向相同，故往复惯性力。为： i 。= m 。r o ) 2 ( c o s + 2 c o s 2 伊) ( 2 - 9 ) 2 2 曲柄连杆机构作用力分析 2 2 1 柱塞力计算 在液缸内液体压力p 的作用下，对柱塞和缸盖则产生大小相等、方向相反的p 。作 用在柱塞端面上的力p ， 柱塞力： p = 一却 式中：a = ；d 2 柱塞的截面积，m 2 ； 4 d 一活塞( 柱塞) 直径，m ； p 一液缸内液体压力，n m 2 。该力也是曲柄转角的函数。 柱塞力的最大值尸眦为： = 一却2 一n ； ( 2 - 1 0 ) 式中：p ：眦一泵的最大排出压力，n m 2 。负值表示柱塞受压。 2 2 2 综合柱塞力计算 柱塞力尸经柱塞、十字头销中心( c 点) 。故在运动状态下，十字销中心同时作用着 三个力，即柱塞力，往复惯性力和摩擦力【1 4 】： p = p + ，w + p 舢 ( 2 1 1 ) 式中： 尸一作用在十字头销中心( 点) 的力，。称综合柱塞力。是校 核十字头销强度的主要依据。 p 一柱塞力，n ： ，。往复惯性力，n ； p 肋一摩擦力，。 2 3 曲柄连杆机构往复泵的分析 2 3 1 柱塞运动规律 西安石油大学硕士学位论文 蠹黧 图2 - 3 曲柄连杆机构往复泵工作简图 l 一液力端：2 柱塞：3 介杆：4 十字头；5 一连杆；卜曲柄 从方程( 2 - 1 2 ) 可以看出位移s 、速度，及加速度口等变量均相应的按近似于正弦或余 弦规律变化。特别是当曲柄转角f o = 0 时，位移s 和加速度口达到最大值，刚好发生在吸入过 程的始点，而且当矽在i o ，2 ：r i 整个范围加速度口始终是变化的，也必然引起惯性负荷的变 化，无论对泵的吸入或排出都极为不利【1 4 】 i s 】。 2 3 2 动力特性的分析 曲柄连杆式往复泵，柱塞运动加速度反映了往复泵动力特性。对于，柱塞运动加速 度始终是连续而瞬变的，当f o = 0 时，加速度幅值达到最大一： 1 口曲一= r c o ( 1 + 兄) = 去s o 2 ( 1 + 见) ( 2 - 1 3 ) 二 在三缸往复泵中，曲柄连杆结构的和a 成正比，从该公式中可以看出，曲柄连杆机 构的加速度比较大，这样引起系统的惯性力就更大，从而大大降低往复泵的动力性能。 2 3 3 吸入与排出性能分析 曲柄连杆机构往复泵的单缸流量表达式为： q = a v = + a r c o ( s i n f 6 + 1 2 名s i n2 # ) ( 2 1 4 ) 式中：a 为柱塞面积，“+ 表示排出，“一 表示吸入，其余符号同前。曲柄连杆往复泵 3 个缸支管内瞬时流量q l 、鲮和珐，排出总管内排出流量为q d 。 伤= q l + q 2 + q 3 ( 2 1 5 ) 曲柄连杆机构往复泵无论是单缸支管内还是总管内，其流量总是瞬变、波动的。这 样流量的不均度非常高，从使用观点看，流量不均度越小越好。因为流量越均匀，管线 1 2 第二章曲柄连杆式往复泵的运动学分析 中液流越接近稳定流动状态，引起的压力脉动越小，这有助于减小管线振动，使泵工作 平稳【1 2 】1 1 3 1 。 2 3 4 阀盘对阀座的冲击力 根据弹性冲击理论可以推导出，阀盘对阀座的最大冲击力为【1 4 】： 1 厚 ( 2 1 6 ) 式中：为阀盘对阀座的最大冲击力；1 k 为阀盘下落到阀座时最大速度；k r 为 相互冲击物的弹性系数。 阀盘下落速度1 ，为： ，：塑：兰塑：一a 口 ( 2 1 7 ) 1 ，= 一= 一一= 一乜 lz - l ，j mcmc 式中：a 表示柱塞运动加速度，所以阀盘下落最大速度v 傩与柱塞运动最大加速度 口一成正比。 在曲柄连杆机构往复泵的阀盘下落最大速度较大，阀盘对阀座的最大冲击力也随之 增加。 2 4 结论 由于曲柄连杆往复泵流量是瞬变的，管线内液流始终是受到冲击和震荡，从而引起 系统的压力波动也是瞬变的。由此引起整机振动大、噪音高。由于管线中液流速度、加 速度均是瞬变的，而且泵速越高，加速度越大，液流惯性损失也越大，且最大值刚好发 生在吸入过程的始点，恶化了往复泵的自吸性能，恶化了泵阀、柱塞、柱塞密封圈等运 动密封件的工作条件，限制了往复泵使用范围及发展。曲柄连杆机构往复泵无法实现往 复泵的恒流量、无压力波动这种理想要求。 西安石油大学硕士学位论文 第三章往复泵无波动机理分析 3 1 传统往复泵排量波动原因分析 往复泵作为容积式泵的一种，在许多工业领域是不可缺少的。从往复泵的诞生到今 天，就其基本结构和工作原理而言，一直没有较大的突破。其动力端都是以传统的曲柄 连杆机构为主要特征。长期以来，人们对传统的曲柄连杆机构往复泵进行了深入的研究， 并取得了许多积极的成果。同时也认识到传统的曲柄连杆机构往复泵所决定的运动与动 力特性局限了它的应用范围及其发展。特别是柱塞的运动规律类似于正弦或余弦曲线的 规律，导致流量是瞬变的，形成排出系统和吸入系统的压力脉动；柱塞运动加速度是瞬 变的，且泵速越高，加速度就越大，最大值正好发生在吸入过程始点，恶化了往复泵的 自吸性能，恶化了泵阀、柱塞及柱塞密封圈等运动密封件的工作环境。 在当今的生产技术领域内，广泛使用着以曲柄连杆机构为传动方式的往复式正排量 泵。此种传动方式，简单可靠，量大面广。从小型的实验室计量泵到超过1 m w 的大功 率石油钻井泵，以及油田注水、压裂、固井、输油、输液等专用往复泵，几乎均被此种 传动方式所覆盖，可谓独领风骚、经久不衰，以致给人们留下认识上的惯性，即只要一 涉及往复泵，往往自然而然地把曲柄连杆机构这种传动方式作为不容置疑、非此莫属的 前提条件。应该肯定，以往对传统往复泵的理论研究和实验研究，系统化、完整化地揭 示其运动规律与动力特性，对发展生产技术将继续发挥重要作用。但与任何其他事物的 发展过程一样，恰恰在对传统往复泵工作机理研究逐步深入并取得积极成果的同时，也 开始认识到传统的曲柄连杆机构所决定的运动与动力特性局限了其自身的应用范畴及发 展。曲柄连杆机构传动的传统往复泵，存在排量时变及吸入系统惯性损耗，常用增加附 属设备或增加缸数的办法来改善其吸入性能和动力特性。 传统的往复泵，以各种形式的曲柄连杆机构为传动方式，其运动方式是简谐运动的 变形，变形的程度随杆件设计方式即与偏心距“等于抛冲程长度印与连杆长度，的比值 有关。其典型的运动特征可由活塞( 或柱塞) 的位移x 、速度1 ，以及加速度a 的方程式表示 【l 】 式中，痧一转角，度 r 角速度r a d s x = ，( 1 j ：c o s 害s i n 2 ) v 岫缈s i n + 害s ；n ( 2 ) ( 3 - ) 口= + r c a 2 【c o s + 五c o s ( 2 中) 】 五偏心距，与连杆长度，的比值 1 4 第三章往复泵无波动机理分析 式中x 、民a 等变量均相应地按近似于正弦或余弦曲线的规律变化。 从方程( 3 1 ) 可以看出位移s 、速度v 及加速度a 等变量均相应的按近似于正弦或余 弦规律变化。特别是当曲柄转角等于o 时，位移s 、加速度a 达到最大值，刚好发生在 吸入过程的始点，而且在 0 ，2 兀 整个范围加速度口始终是变化的，也必然引起惯性负 荷的变化，无论对泵的吸入或排出都极为不利。 曲柄连杆机构往复泵的单缸流量表达式为【l 】： o ：a v ：彳，缈( s i n o + 五s i n 2 , i , ) ( 3 2 ) z 式中：a 为柱塞面积，“+ 表示排出，“一表示吸入，其余符号同前。 由方程( 3 - 2 ) 计算得出，曲柄连杆往复泵3 个缸支管内瞬时流量q ，、q 和9 曲线以 及它们叠加结果如图( 3 1 ) 所示，以排出总管内排出流量9 为例，吸入总管内吸入流 量曲线与此类似【2 1 。 1 o o 2 o ，一g -，一、- ，、i 一， 、 ， 1 、 ：、 ， 、 勺 1 ：、 t ；， ， ；i 口二q k； ；_ a 、 、 ，乏， ， 、 v 气， y ， ￥ ，、 厂 ? 1 - ，、 卜 一 笔 f ： ，= ， 、 ；一 j ?专 j! t ?： - f专 ) o鲋1 2 0 口18 0 02 4 0 口3 0 0 口3 6 伊 图3 - 1 曲柄连杆机构3 缸单作用往复泵瞬时流量与总管内叠加流量曲线 曲柄连杆机构往复泵无论是单缸支管内还是总管内，其